Wenn so viele verschiedene Hormone/Moleküle wirken, indem sie die Adenylylcyclase aktivieren, wie haben sie dann unterschiedliche Wirkungen?

Wie können Hormone/Moleküle unterschiedliche Wirkungen haben, wenn sie alle durch cAMP wirken? Die kurze Antwort ist, dass die Rezeptorexpression auf Zelltypen hochspezifisch ist und nur wenn eine Zelle einen bestimmten Rezeptor hat, wird sie auf ein bestimmtes Hormon reagieren. Daher können zwei verschiedene Hormone unterschiedliche biologische Wirkungen haben, da die Zellen, die diese Rezeptoren enthalten, hochspezifisch sind. Insgesamt bestimmt das Vorhandensein spezifischer zellulärer Rezeptoren die Spezifität von Hormonen und deren Wirkungen.

Eine etwas ausführlichere Antwort ... Dies ist ein klassisches Konzept aus der Physiologie und war ein echter Fortschritt in unserem Verständnis der Hormonwirkung in den 1950er / 1960er Jahren. Earl Sutherland , der für diese Arbeit 1971 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin erhielt, gehörte der Fakultät der Case Western Reserve University (und später der Vanderbilt University ) an. Dr. Sutherland untersuchte die Wirkungen von Hormonen, die am Glykogenstoffwechsel beteiligt sind (dh Glykogensynthese und Glykogenabbau). Diese klassischen Studien identifizierten eine Substanz, die jetzt als zyklisches AMP anerkannt wird(cAMP), dessen intrazelluläre Konzentration in Leberzellen erhöht war, die mit Hormonen behandelt wurden, die den Glykogenabbau stimulierten. Umgekehrt wurde cAMP durch Hormone oder andere Bedingungen verringert, die mit der Glykogensynthese verbunden waren. Interessanterweise wurde festgestellt, dass verschiedene Hormone, die entweder die Glykogensynthese/den Glykogenabbau erhöhten oder verringerten, ähnliche Wirkungen auf die intrazellulären Konzentrationen von cAMP hatten (z. B. Epinephrin, Glucagon). Dies deutete darauf hin, dass cAMP irgendwie ein übliches Signalmolekül (oder „Second Messenger“) war, das das extrazelluläre Hormonsignal ins Innere der Zelle übertrug, um eine biochemische Wirkung zu haben (in diesem Fall die Stimulierung des Glykogenabbaus).

Im Fall der Studien von Sutherland stimulierte die erhöhte Konzentration von cAMP die Aktivität von Proteinkinase A (PKA) , und das Fehlen derselben verringerte die PKA-Aktivität und ermöglichte es den Wirkungen von Proteinphosphatasen, vorherrschend zu sein. Wenn beispielsweise Glucagon seinen Rezeptor an Hepatozyten (Leberzellen) bindet, wird dieser Rezeptor an ein intrazelluläres Enzym gekoppelt ($G_S$), das aktiviert wird und dann ein Enzym namens Adenylylcyclase aktivieren kann, das die Synthese von cAMP aus ATP erhöht. Der Anstieg von cAMP bindet dann an PKA und phosphoryliert die Glykogensyntheseenzyme und Abbauenzyme. Wenn die synthetischen Glykogenenzyme durch PKA phosphoryliert werden, sind sie inaktiv, und umgekehrt, wenn die Abbauenzyme phosphoryliert werden, sind sie aktiv. Somit führt die Aktivierung des Glykogenrezeptors zur Aktivierung der Glykogenabbaumaschinerie und zur Hemmung der Glykogensynthesemaschinerie. Dies ist physiologisch sinnvoll, wenn man darüber nachdenkt - Glykogen wirkt, um den hepatischen Glykogenabbau zu erhöhen und die hepatische Freisetzung von Glukose in den Kreislauf zu erhöhen.

Kurz gesagt, nachdem die Gruppe von Sutherland die Bedeutung von cAMP als Second-Messenger-Protein innerhalb der Zelle demonstriert hatte, begannen andere Gruppen zu erkennen, dass viele andere Hormone zu Veränderungen im intrazellulären cAMP führten, aber jedes seine eigenen Wirkungen hatte. Die Unterschiede in diesen Wirkungen wurden durch den Zelltyp bestimmt, auf den das Hormon einwirkte, und ob dieser Rezeptor an ein bestimmtes Second-Messenger-System gekoppelt war oder nicht. Somit könnten Sie eine beliebige Anzahl von Rezeptoren auf der Zelloberfläche haben, die verfügbar sind, um extrazelluläre Liganden (z. B. Hormone, Nährstoffe, Arzneimittel) zu binden. Jedes dieser unterschiedlichen Hormone kann jedoch mit unterschiedlichen Arten von intrazellulären „Second Messenger“-Prozessen „gekoppelt“ oder verknüpft werden, um ein Signal zu übertragen.

Wie Sie in der Frage erwähnt haben, ist cAMP ein gängiges Second-Messenger-System für eine Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen. Diese unterschiedlichen Zelltypen haben jedoch unterschiedliche Rezeptoren, die an cAMP gekoppelt sind. Daher können Hormone je nach Gewebe, das die Rezeptoren exprimiert, unterschiedliche Wirkungen haben. Beispielsweise wird der Glukagonrezeptor auf Hepatozyten exprimiert, was zunimmt$G_S$Aktivität und damit cAMP, was zu einem Glykogenabbau und einer erhöhten Glukoseproduktion in der Leber führt. Ebenso die$\beta_2$adrenerger Rezeptor, der Epinephrin/Noradrenalin auf der glatten Muskulatur bindet, ist ebenfalls daran gekoppelt$G_S$was cAMP erhöht und zu einer Entspannung der glatten Muskulatur führt. Diese sehr unterschiedlichen Hormone haben unterschiedliche biologische Wirkungen in verschiedenen Geweben, obwohl die Wirkungen beide von cAMP-abhängigen Mechanismen angetrieben werden. Kurz gesagt, es sind die Rezeptoren, die auf einer Zelle vorhanden sind, die die Reaktion einer bestimmten Zelle auf dieses Hormon bestimmen.

Dies wird im Bild unten von diesem medizinischen Biochemie-Link in Fettgewebe grafisch gezeigt – obwohl das gleiche Konzept für Leberzellen gilt. Glukagon signalisiert durch seinen Rezeptor, die Aktivität von Adenylylcyclase, cAMP und dann PKA zu erhöhen, während Insulin diese Aktivierung hemmt, indem es die Aktivität von PDE (einer Phosphodiesterase) erhöht, die am Abbau von cAMP arbeitet und anschließend PKA in seiner inaktiven Form hält.